JPH0363703B2 - - Google Patents

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JPH0363703B2
JPH0363703B2 JP59093841A JP9384184A JPH0363703B2 JP H0363703 B2 JPH0363703 B2 JP H0363703B2 JP 59093841 A JP59093841 A JP 59093841A JP 9384184 A JP9384184 A JP 9384184A JP H0363703 B2 JPH0363703 B2 JP H0363703B2
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JP
Japan
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hydrogen
membrane
impedance
thickness
electrolyte
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JP59093841A
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Japanese (ja)
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JPS59211853A (en
Inventor
Maatein Heiru Jon
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Individual
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Publication of JPH0363703B2 publication Critical patent/JPH0363703B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/404Cells with anode, cathode and cell electrolyte on the same side of a permeable membrane which separates them from the sample fluid, e.g. Clark-type oxygen sensors
    • G01N27/4045Cells with anode, cathode and cell electrolyte on the same side of a permeable membrane which separates them from the sample fluid, e.g. Clark-type oxygen sensors for gases other than oxygen

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  • Electrochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は、元素状水素の定量的電気分析測定方
法および元素状水素の定量的電気分析測定用のセ
ンサに関する。 定量的電気化学分析に使用するこの種の電気化
学セルは、周知であり、一般に特定された、また
は電気分析的に有効な表面を有する操作検知電極
と、対向電極と、必要に応じ保護電極と、これら
電極に接触する電解液と、電解液に対し実質的に
不透過性であるが測定の対象になつている電気的
活性物質に対しては透過性である膜とを備え、当
該膜は、電解液空間(殊に検知電極の頂部に存在
する電解液膜)と測定対象の電気的活性物質を含
有する周囲媒体との間のバリヤとしてセンサ表面
を規定する。 電流測定分析操作を行うには、この種のセル装
置の操作電極を一定のDC電圧により分極させて、
定常状態において測定対象の電気的活性物質の活
性に比例するような電流を生ぜしめる。この種の
セルおよびその操作並びに測定目的での用途は、
たとえば米国特許第2913386号、第3071530号、第
3223608号、第3227643号、第3325378号、第
3372103号、第3406109号、第3429796号、第
3515658号、第3622488号および第4096047号、並
びに英国特許出願第1013895号明細書に記載され
ている。 パイオニア発明と考えられるレランド・イー・
クラークに付与された前述の米国特許第2913386
号は、この種の方法が、「膜被覆ポーラログラフ
検出器」とも呼ばれる電気分析装置を用いて電解
還元性もしくは電解酸化性ガスを測定する際に使
用するのに適していることを既に教示している。
「ポーラログラフ」という用語は、滴下水銀電極
に基づき電圧測定方式もしくはガルバニ方式で操
作する技術にいても使用されるので、「膜被覆さ
れた電流測定セル」(MEAC)という用語は、本
明細書中ではたとえば「クラークセル」のような
電気分析用プローブ並びにその変形プローブを意
味するために使用し、操作性、信頼性、感度およ
び保守を改善するための保護電極および各種の装
置を使用するものを包含する。 しかしながら、MEACセンサによる電解還元
性ガス(特に酸素)の測定は広く許容されている
が[たとえば、エム・エルヒツチマン、「溶解酸
素の測定」、ISBNO−471−03885−7参照」、電
解酸化性ガス(特に水素)を測定するためにこの
技術を用いようとした従来の試みは相応の成功を
収めていない。 本出願人の知る限り、MEAC型センサによる
水素の測定は、先ず最初にソーヤー等[アナリチ
カル・ケミストリー、第31巻、第2頁(1959)]
により記載され、ここにはこの原理により水素を
検出する試みが全く不成功であつたと報告されて
いる。次いで、エム・ダブリユー・グリーン等
は、前述の米国特許第3325378号における変形
MEACによる水素検知方法を開示し、かつこの
米国特許は水素検知が重要である種々の分野の技
術、たとえば水素を反応体、冷却剤もしくは燃料
とし使用し、特に水素と空気との爆発性混合物の
生成を防止するため水素の漏洩を検出する技術を
記載している。 水素の検知および定量測定の必要性は決して減
少していないが、MEAC型センサを使用する電
気分析法は一般に適していないことが判明してお
り、かつ水素センサはこれまで市販されていな
い。 グリーン等の特許、並びに各種の他の報告[フ
オン・グルニガー等、エルベチカ・ヒミカ・アク
タ、第61巻、(1978)、第2375頁;スリニバサン
等、アナリチカル・ケミストリー、第53巻、
(1981)、第928頁;ミルス等、アナリチカル・ケ
ミストリー、第53巻、(1981)、第1254頁;ニード
ラツハ等、アナリチカル・ケミストリー、第54
巻、(1982)、第1651頁]にしたがうMEACによ
る従来の水素検知に共通の特徴は、測定の安定性
および特に阻害的ドリフトの不存在のためには一
般に金属白金で作られた陽極検知表面を、エツチ
ング技術により、または白金ブラツクの層を含む
電気分解白金化もしくは付着技術により得られる
種類を微結晶層の作用により、或る程度、表面を
拡大させる必要があることである。 米国特許第3325378号公報に開示されているよ
うに、エツチングされた白金表面には陽極検知表
面として白金ブラツクが好適である。何故なら、
これはより安定な出力を与えると共に、白金検知
面積の拡大および賦活をもたらす表面増加または
「粗面化」がMEAC型水素センサの陽極電極に必
要とされ、従来の研磨された、すなわちほぼ平滑
な金属白金陽極をこの目的で使用することを排除
するという当業界の教示に一致するからである。 白金を含め貴金属の研磨された平滑な電極表面
の使用は酸素測定用のMEAC型センサにおいて
は全く慣用的なものであり、検知電極において平
滑に研磨された白金表面を白金ブラツクまたはそ
の他の面積拡大した白金表面上に使用する利点
は、電気分解技術に熱知した物には明らかであ
る。検知面積の再現性および感応度、並びに製
造、保守および保守管理の容易さは平滑に研磨さ
れた白金表面を使用する場合よりもずつと良好で
あり、電気分析技術の当業者は、平滑に研磨され
た白金表面の使用を完全に避けることができない
と確信しない限り、これらの利点を見捨てないで
あろう。 このことから明らかなように、MEACセンサ
による従来の水素検知法は、許容しうる安定性を
有する出力を得ようとするならば、金属白金の平
滑陽極検知表面により操作しえない思われた。 したがつて、本発明の主たる目的は、MEAC
により元素状水素を定量電気分析的に測定する改
良方法を提供することであり、陽極水素検知電極
はほぼ平滑な検知表面を有すると共に、許容しう
る安定性を有する出力を与える。 さらに、本発明の目的は、元素状水素の定量的
電気分析測定用のMEAC型センサの操作におけ
る簡便性、正確さ、安定性、簡明性および便利さ
を与える改良方法を提供することである。 本発明の他の目的は、金属白金で作成された平
滑研磨した陽極検知表面を有し、しかも許容しう
る安定性をもつ出力を与える、元素状水素の定量
的電気分析測定用のMEAC型センサを提供する
ことである。 その他の目的は、以下の説明から明らかとなる
であろう。 本発明によれば、前述の目的は、水性電解液と
接触して電流測定セルの反応インピーダンスを与
える少なくとも2本の電極を備え、元素状水素に
対し透過性であるが電解液に対し実質的に不透過
性である膜により前述の電解液を流体媒体から分
離して、前述のセルの膜インピーダンスが与えら
れている前述の電流測定セルにより流体媒体中の
元素状水素を定量・電気分析的に測定する方法で
あつて、前述の少なくとも2本の電極が陽極水素
検知電極と陰極対向電極とからなり、前述の水素
検知電極が白金族の金属よりなるほぼ平滑な検知
表面を有し、前述の平滑な検知表面が1:1〜
1:3の範囲の見掛表面積:実表面積の比を有し
ており、前述の膜インピーダンスが、電流測定セ
ルの膜制御操作を行うため十分に反応インピーダ
ンスを越えるように選択される元素状水素の定量
的電気分析測定方法、及び 水素電解液と接触する陽極水素検知電極及び陰
極対向電極を備えると共に反応インピーダンスを
有する電流測定セルと、元素状水素に対し透過性
であるが電解液に対し実質的に不透過性であり、
且つ膜インピーダンスを与える膜とを備える、流
体媒体中における元素状水素の定量的電気分析測
定用のセンサであつて、陽極水素検知電極が白金
族の金属よりなるほぼ平滑な検知表面を有し、前
述の平滑な検知表面が1:1〜1:3の範囲の見
掛表面積:実表面積の比を有しており、前述の膜
が、10〜300μmの範囲の厚みと9.8×102(μmol・
μm・m-2(Kg/m2-1・s-1)未満の水素透過係
数とを有する元素状水素の定量的電気分析測定用
のセンサにより達成される。 今回、本発明により前述の目的およびその他の
利点は、(a)陽極水素検知電極が実質的に白金属の
金属よりなるほぼ平滑な検知表面を有し、かつ(b)
結論としてMEACの膜インピーダンスを、膜制
御された(すなわち拡散制御された)MEACの
動作を与えるため十分に反応インピーダンスを越
えるよう維持することにより達成されることが判
明した。 この説明は抽象的でありかつ下記に説明するよ
うに比較的複雑な数学的処理により裏付けられる
が、その実用的意味は極めて簡単かつ効果的であ
る。事実、この新規な水素検知法は本質的に従来
のセンサを用いて単に下記のように容易に決定し
うる基準にしたがつて、水素拡散が少ない膜を選
択して実用化することができる。 特に興味あることは、安定な水素検知に対して
は、研磨白金表面の恐らく固有の非適合性が解消
されねばならぬ問題であり、かつこの非適合性
が、通常の処理操作もしくは監視操作用に
MEAC水素センサが市販も使用もされない主た
る理由であると考えて、MEAC水素検知の従来
技術が実質的に陽極表面の改変に集中された。 検知用陽極の活性または反応性が増大されねば
ならないという従来技術の仮定によれば、膜の役
割りをより詳細に検討するという明らかな理由は
存在しない。何故なら、上述の米国特許第
3325378号によれば酸素検知のために従来使用さ
れていた種類の膜材料および膜厚さ、例えば
25.4μmのテフロン[PTFE型つまりポリテトラ
フルオロエチレン]、ポリエチレンおよびポリプ
ロピレンは水素検知に適すると信じられていたか
らである。 本発明は、任意の膜を採用して陽極の活性また
は役割りを最適化しようとする代りに、最適の
(すなわち研磨された)白金陽極表面から出発し
て膜の役割りを最適化させようとする検討に基づ
いている。MEACにおける陽極および膜の役割
りは、電流の大きさが一方では膜を通つてセンサ
中へ流入する水素の正味の量に相当せねばならず
(定常状態かつ適当な単位で表わして)、かつ他方
では陽極における反応(酸化)に基づく水素の消
失速度に相当せねばならないというと仮定するこ
とにより明確にされ得る。 安定結果をうるには陽極活性の増加が必要とい
う従来技術の経験を、陽極反応性(すなわち、陽
極における水素反応速度)を増大させる代りに膜
を通る水素の拡散を減少させうるという意味にお
いて再解釈することができる。 下記に示すように、上述のように解釈を逆転さ
せることの正当性は実験的にも数学的にも証明す
ることができ、この逆転の結果は、良好な応答性
と安定性とを有する水素測定が研磨白金陽極を用
いる場合にMEACの操作が膜によつて制御され
る(膜を通る水素の拡散もしくは透過が限定因子
となる)けれども反応によつては制御されなけれ
ば(陽極における水素反応の速度が限定因子とな
らないならば)、従来技術の教示に反して達成さ
れることである。 「流体媒体における元素状水素の測定」という
用語は、たとえば液体(水および水性媒体もしく
は非水性媒体を包含する)に溶解されたまたは他
の気体流体(たとえば窒素、酸素、二酸化炭素、
ハロゲン化水素、アンモニア、水、蒸気および空
気を含むこれらの混合物)と混合した気体水素の
たとえばppb、ppmもしくは%単位における少量
もしくは微量の検知から、たとえば50〜100%範
囲における気体水素の純度の測定に到る範囲の、
流体媒体における水素含有量または濃度を測定す
る種々の形式を包含する。 「電流測定セル」という用語は、多数の特許を
引用して既に説明したようなMEACまたはクラ
ーク型のセルを意味する。 「少なくとも2本の電極からなる」という表現
は、セルが水素検知に際し陽極となる少なくとも
1本の水素検知電極と、水素検知に際し陰極とな
る少なくとも1本の対向電極とを有することを意
味する。セルは、水素検知電極を保護するためこ
の水素検知電極とほぼ同一の単位にて本発明で使
用されるドイツ特許第2851447号公報に開示され
た種類の保護電極を有することもできる。各電極
は2つもしくはそれ以上のセグメントよりなるこ
ともできるが、電極をセグメントから構成するこ
とは一般に陽極については好適ではない。 対向電極は、水素検知電極の電位を測定する際
の参照点となる。好ましくは、陰極表面積は陽極
表面積よりも典型的には2〜10の範囲の係数だけ
大きい。 「水性電解液と接触する」という用語は、一般
に各電極の表面が電解液に露呈されることを意味
する。水素検知電極の電解液露呈表面領域または
検知表面は、後述するように白金属の金属よりな
り、未変化のまま維持されねばならない。対向電
極の電解液露呈表面は、充分特定する必要はない
が、好ましくは例えば少なくとも3、好ましくは
少なくとも5の係数だけ水素検知電極の検知表面
よりも実質的に大きい。銀/塩化銀、銀/銀イオ
ン並びに各種の酸化還元系、たとえば沃素/沃素
もしくは貴金属陰極(たとえば金もしくは白金)
上で交換する第一鉄/第二鉄を包含する慣用の陰
極材料が一般に適している。一般に、対向電極
は、その生成物が水素検知電極において非酸化性
でありかつセルの操作を阻害しないという基準を
満足せねばならない。適する水性電解液は、水素
検知に関する前述の各特許および文献に開示され
たものを包含し、たとえば米国特許第3325378号
公報に開示された塩化物の電解液組成物が適して
いるが、中和のために緩衝剤で処理する必要はな
く、またたとえば塩酸、硫酸のような水性無機酸
の規定液を包含する。または実質的に該水性無機
酸よりなる酸性電解液を、酸性の水素イオン濃度
がMEAC部品を劣化させない限り使用すること
もできる。 「反応インピーダンス」という用語は水素検知
電極の反応インピーダンスを意味し、水素検知電
極における水素(酸化)反応の速度の逆数値とし
て数量化することができる(H2→2H++2e、こ
こでeは陽極における電子を示す)。しかしなが
ら、本発明の実際的用途においては、このような
数量化は必要とされない。高い値の反応インピー
ダンスは、勿論、水素検知電極における水素酸化
速度が遅いことに対応する。 「膜インピーダンス」という用語は膜によりも
たらされる水素拡散インピーダンスを意味し、膜
を通る水素拡散(透過)の速度の逆数値として数
量化することができる。本発明を実際に使用する
に当つてはこのような数量化を必要としないが、
市販される多くの重合体のフイルムの水素透過率
に対する特定データを入手することができ、或い
は容易に測定することができる。 本発明の方法を実施するには、膜インピーダン
スが反応インピーダンスを充分に越えて、膜制御
されたセル操作(以下「M/C操作」という)を
与えること、すなわち反応制御されたセル操作
(以下「R/C操作」という)を防止することが
重要であり、この要件を維持することが白金属金
属の平滑検知表面を有する水素検知電極を使用す
ることに対する結論として本発明に必須である。 この点を考慮すると、本発明の多くの目的のた
めには、結果の点検、すなわち所定の研磨白金電
極および所定の電解液を含む所定のMEACを用
いてM/C操作の維持またはR/C操作の回避に
ついて点検を行えば充分である。第1の便利な方
法は、異なる材料および/また異なる厚さで作成
された膜につき周囲ガスまたは試験ガスにおける
水素の分圧に対する所定センサの電流の依存性
(以下「電流/圧力依存性」という)を測定しか
つ記録することである。 実施例において説明する数字モデルから明らか
となる理由で、電流/圧力依存性は本発明による
M/C操作においてのみ直線性となる。さらに、
拡散理論[ジエー・エム・ヘール等、ジヤーナ
ル・エレクトロアナリチカル・ケミストリー、第
107巻(1980)、第281−294頁]に基づく試験およ
び下記に詳細に説明する水素の段階的変化に対す
るMEACの応答時間の測定は、MEACがM/C
方式で操作される時にのみ時間に対する換算時間
パラメータの直線的依存性を示すのに対し、R/
C操作の場合には時間に対する換算時間パラメー
タの依存性は、明らかに非直線的となる。これに
対し、その他の同様に得られた水素測定値の時間
依存性またはドリフト(すなわち、負の安定性)
を使用して、本発明によるM/C操作を証明する
ことができる。たとえば、繰返して測定を行つた
場合に、低い値の方向へのドリフトは、一般に
M/C操作において1日当り1%未満であり、又
R/C操作において1日当り10%より大きい。 R/C操作に対してM/C操作を間接的に制御
することの用意さは有利である。何故なら、実際
の水素の透過は、所定の有機重合体フイルムの特
定公称水素透過性(しばしば膜表面積、圧力差お
よび時間当りの水素のμmolのようなモル単位、
たとえばμmol・m-2・(Kg/m2-1・sec-1として
表わされる)および特定公称厚さ(たとえばμ
m)を有する膜材料に依存するだけでなく、膜の
意図的なもしくは偶発的な延伸のような附随的な
要因によつても左右されるからである。 種々の寸法のフイルムとして市販されかつ本発
明に適する有機重合体の多くの非限定的例を下記
第表に示すが、本質的に特定厚さの有機重合体
フイルムが適していることが理解される。すなわ
ち、水素拡散の速度を実質的に決定するのは膜の
実際の「透過値」である。「透過性」は実際の膜
厚さを参照することなく、しばしば与えられる単
位であり、下記に示す「透過係数」は寸法または
厚さの単位(μm)に関係する。 一般に適する膜は、9.8×102未満、好ましくは
9.8×10(μmol・μm・m-2・(Kg/m2-1・s-1
未満の水素透過係数を有するものである。9.8×
10未満の透過係数を有する膜を25.4μmもしくは
それ以下、たとえば約10μmまでの典型的な厚さ
で使用することができる。9.8×10〜9.8×102の範
囲の透過係数を有する膜が、より高い膜厚(すな
わち50〜150μm)で使用する場合に適している。
膜圧は、周囲流体における水素分圧の段階的変化
に比較的迅速に応答することが重要な本発明の多
くの目的に対しては、一般に300μm未満、好ま
しくは100μm未満、特に好ましくは50μm未満と
べきことが了解されよう。他方、約1mmの極めて
厚い膜を、高い水素透過性を有する膜材料(たと
えばシリコーンゴム)と共に使用することができ
る。しかしながら、低い透過係数を与えるハロゲ
ン含有重合体は多くの目的に好適である。特定の
製品を次に示すが、これらのみに限定されない。
The present invention relates to a method for quantitative electroanalytical measurement of elemental hydrogen and a sensor for quantitative electroanalytical measurement of elemental hydrogen. Electrochemical cells of this type for use in quantitative electrochemical analysis are well known and generally include an operating sensing electrode with a defined or electroanalytically effective surface, a counter electrode, and optionally a guard electrode. , an electrolyte in contact with the electrodes, and a membrane substantially impermeable to the electrolyte but permeable to the electroactive substance to be measured; , defines the sensor surface as a barrier between the electrolyte space (in particular the electrolyte film present on top of the sensing electrode) and the surrounding medium containing the electroactive substance to be measured. To carry out amperometric analysis operations, the operating electrodes of this type of cell device are polarized by a constant DC voltage.
A current is generated that is proportional to the activity of the electroactive substance being measured in steady state. This type of cell and its operation and use for measurement purposes are
For example, U.S. Pat.
No. 3223608, No. 3227643, No. 3325378, No.
No. 3372103, No. 3406109, No. 3429796, No.
3515658, 3622488 and 4096047, and UK Patent Application No. 1013895. Considered a pioneer invention, Leland E.
The aforementioned U.S. Patent No. 2913386 granted to Clark
No. 1 already teaches that a method of this kind is suitable for use in measuring electroreducing or electrooxidizing gases with an electroanalytical device, also called a "membrane-coated polarographic detector". There is.
Since the term "polarographic" is also used for techniques based on dropping mercury electrodes and operated in a voltammetric or galvanic manner, the term "membrane-coated amperometric cell" (MEAC) is used herein. For example, the term is used to refer to electroanalytical probes such as ``Clark cells'' and their modified probes, which use protective electrodes and various devices to improve operability, reliability, sensitivity, and maintenance. include. However, although the measurement of electrolytically reducing gases (particularly oxygen) with MEAC sensors is widely accepted [see e.g. Previous attempts to use this technique to measure hydrogen (particularly hydrogen) have not met with reasonable success. To the best of the applicant's knowledge, the measurement of hydrogen using a MEAC type sensor was first carried out by Sawyer et al. [Analytical Chemistry, Vol. 31, p. 2 (1959)].
It is reported here that attempts to detect hydrogen using this principle were completely unsuccessful. M.D. Green et al. then modified the above-mentioned U.S. Pat.
Discloses a method for hydrogen detection by MEAC, and this US patent is applicable to various fields of technology where hydrogen detection is important, such as using hydrogen as a reactant, coolant or fuel, and especially for explosive mixtures of hydrogen and air. It describes technology to detect hydrogen leaks to prevent hydrogen formation. Although the need for hydrogen detection and quantitative measurement has never diminished, electroanalytical methods using MEAC-type sensors have generally proven unsuitable, and hydrogen sensors have not been commercially available to date. Green et al., as well as various other reports [Huon-Gruniger et al., Elvetica Himica Acta, Vol. 61, (1978), p. 2375; Srinivasan et al., Analytical Chemistry, Vol. 53;
(1981), p. 928; Mills et al., Analytical Chemistry, Vol. 53, (1981), p. 1254; Niedratsuha et al., Analytical Chemistry, Vol. 54
Vol., (1982), p. 1651] A common feature of conventional hydrogen sensing by MEAC is that for stability of the measurements and especially the absence of interfering drifts, the anodic sensing surface is generally made of metallic platinum. It is necessary to enlarge the surface to some extent by the action of microcrystalline layers of the kind obtained by etching techniques or by electrolytic platinization or deposition techniques including layers of platinum black. As disclosed in US Pat. No. 3,325,378, platinum black is preferred as an anode sensing surface for etched platinum surfaces. Because,
This provides a more stable output, as well as a surface increase or "roughening" required for the anode electrode of a MEAC-type hydrogen sensor, which results in an enlarged platinum sensing area and activation, compared to traditional polished, i.e. nearly smooth, This is consistent with the teachings of the art which precludes the use of metallic platinum anodes for this purpose. The use of smooth polished electrode surfaces of noble metals, including platinum, is quite conventional in MEAC-type sensors for oxygen measurements, and the use of smooth polished platinum surfaces in the sensing electrodes as platinum blacks or other area enlargers. The advantages of using a platinum surface are obvious to those familiar with electrolysis technology. The reproducibility and sensitivity of the sensing area, as well as the ease of manufacturing, maintenance and maintenance, are significantly better than using a smooth polished platinum surface; These advantages would not be foregone unless one is convinced that the use of coated platinum surfaces cannot be completely avoided. As is clear from this, conventional hydrogen sensing methods using MEAC sensors appeared inoperable due to the smooth anodic sensing surface of metallic platinum if an output with acceptable stability was to be obtained. Therefore, the main objective of the present invention is to
An object of the present invention is to provide an improved method for the quantitative electroanalytical measurement of elemental hydrogen in which the anodic hydrogen sensing electrode has a substantially smooth sensing surface and provides an output with acceptable stability. Furthermore, it is an object of the present invention to provide an improved method that provides simplicity, accuracy, stability, simplicity and convenience in the operation of MEAC type sensors for quantitative electroanalytical measurements of elemental hydrogen. Another object of the invention is a MEAC type sensor for quantitative electroanalytical measurements of elemental hydrogen having a smooth polished anode sensing surface made of metallic platinum and yet providing an output with acceptable stability. The goal is to provide the following. Other objectives will become apparent from the description below. According to the invention, the aforementioned object comprises at least two electrodes which are in contact with an aqueous electrolyte and provide a reactive impedance of the amperometric cell, which are permeable to elemental hydrogen but substantially permeable to the electrolyte. The electrolyte is separated from the fluid medium by a membrane that is impermeable to The above-mentioned at least two electrodes are composed of an anode hydrogen sensing electrode and a cathode counter electrode, the aforementioned hydrogen sensing electrode has a substantially smooth sensing surface made of a platinum group metal, The smooth sensing surface is 1:1~
Elemental hydrogen having an apparent surface area:real surface area ratio in the range of 1:3 and selected such that the aforementioned membrane impedance sufficiently exceeds the reaction impedance to effect membrane control operations of the amperometric cell. Quantitative electroanalytical measurement method, and an amperometric cell comprising an anode hydrogen sensing electrode and a cathode counter electrode in contact with a hydrogen electrolyte and having a reactive impedance, and a current measurement cell permeable to elemental hydrogen but substantially impermeable to the electrolyte. is impermeable to
and a membrane providing a membrane impedance. The aforementioned smooth sensing surface has an apparent surface area:real surface area ratio in the range of 1:1 to 1:3, and the aforementioned membrane has a thickness in the range of 10 to 300 μm and a thickness of 9.8×10 2 (μmol・
This is achieved with a sensor for quantitative electroanalytical measurement of elemental hydrogen with a hydrogen permeability coefficient of less than μm·m −2 (Kg/m 2 ) −1 ·s −1 ). The foregoing objects and other advantages of the present invention are now achieved by: (a) the anodic hydrogen sensing electrode has a substantially smooth sensing surface made of substantially platinum metal; and (b)
It has been found that this can be achieved by maintaining the membrane impedance of the MEAC sufficiently above the reaction impedance to provide membrane-controlled (ie, diffusion-controlled) operation of the MEAC. Although this explanation is abstract and supported by relatively complex mathematical processing as explained below, its practical implications are quite simple and effective. In fact, this new hydrogen sensing method can be implemented using essentially conventional sensors simply by selecting membranes with low hydrogen diffusion according to easily determined criteria as described below. Of particular interest is the problem that, for stable hydrogen sensing, the likely inherent incompatibility of polished platinum surfaces must be overcome, and that this to
Considering this to be the main reason why MEAC hydrogen sensors are not commercially available or used, the prior art of MEAC hydrogen sensing has substantially focused on modifying the anode surface. Given the prior art assumption that the activity or reactivity of the sensing anode must be increased, there is no obvious reason to consider the role of the membrane in more detail. This is because the above-mentioned U.S. patent no.
No. 3325378 describes the types of membrane materials and membrane thicknesses traditionally used for oxygen sensing, e.g.
It was believed that 25.4 μm Teflon (PTFE type or polytetrafluoroethylene), polyethylene, and polypropylene would be suitable for hydrogen sensing. Instead of employing arbitrary membranes and attempting to optimize anode activity or performance, the present invention begins with an optimal (i.e., polished) platinum anode surface and optimizes membrane performance. This is based on the following considerations. The role of the anode and membrane in the MEAC is that the magnitude of the current must on the one hand correspond to the net amount of hydrogen flowing through the membrane into the sensor (at steady state and expressed in suitable units), and On the other hand, it can be clarified by assuming that it must correspond to the rate of disappearance of hydrogen due to reactions (oxidation) at the anode. The prior art experience that an increase in anodic activity is required to obtain stable results is reproduced in the sense that at the cost of increasing anodic reactivity (i.e., the rate of hydrogen reaction at the anode), hydrogen diffusion through the membrane can be reduced. can be interpreted. As shown below, the validity of reversing the interpretation as described above can be proven both experimentally and mathematically, and the result of this reversal is that hydrogen with good responsiveness and stability If the measurement uses a polished platinum anode, the operation of the MEAC is controlled by the membrane (diffusion or permeation of hydrogen through the membrane is the limiting factor) but not by the reaction (hydrogen reaction at the anode). contrary to the teachings of the prior art). The term "determination of elemental hydrogen in a fluid medium" includes, for example, dissolved in liquids (including water and aqueous or non-aqueous media) or other gaseous fluids (e.g.
From the detection of small or trace amounts of gaseous hydrogen, e.g. in ppb, ppm or %, mixed with hydrogen halides, ammonia, water, steam and mixtures thereof, including hydrogen halides, ammonia, water, steam and air, to the determination of the purity of gaseous hydrogen in the range e.g. 50-100%. Within the range of measurement,
Includes various formats for measuring hydrogen content or concentration in a fluid medium. The term "amperometric cell" means a cell of the MEAC or Clark type, as already explained with reference to a number of patents. The expression "consisting of at least two electrodes" means that the cell has at least one hydrogen sensing electrode that is an anode for hydrogen sensing and at least one counter electrode that is a cathode for hydrogen sensing. The cell may also have a protective electrode of the type disclosed in DE 2851447, which is used in the present invention in substantially the same unit as the hydrogen sensing electrode to protect it. Although each electrode may consist of two or more segments, constructing the electrode from segments is generally not preferred for the anode. The counter electrode serves as a reference point when measuring the potential of the hydrogen sensing electrode. Preferably, the cathode surface area is greater than the anode surface area by a factor typically in the range of 2 to 10. The term "in contact with an aqueous electrolyte" generally means that the surface of each electrode is exposed to the electrolyte. The electrolyte-exposed surface area or sensing surface of the hydrogen sensing electrode is made of platinum metal, as described below, and must remain unaltered. The electrolyte exposed surface of the counter electrode is preferably substantially larger than the sensing surface of the hydrogen sensing electrode, for example by a factor of at least 3, preferably at least 5, although this need not be fully specified. Silver/silver chloride, silver/silver ions and various redox systems such as iodine/iodine or noble metal cathodes (eg gold or platinum)
Conventional cathode materials including ferrous/ferric as exchanged above are generally suitable. Generally, the counter electrode must meet the criteria that the product is non-oxidizing at the hydrogen sensing electrode and does not interfere with cell operation. Suitable aqueous electrolytes include those disclosed in the aforementioned patents and publications relating to hydrogen sensing, such as the chloride electrolyte compositions disclosed in U.S. Pat. No. 3,325,378, which are suitable; There is no need for buffering for this purpose and standard solutions of aqueous inorganic acids such as hydrochloric acid and sulfuric acid are included. Alternatively, an acidic electrolyte consisting essentially of the aqueous inorganic acid can be used as long as the acidic hydrogen ion concentration does not degrade the MEAC components. The term "reaction impedance" refers to the reaction impedance of a hydrogen sensing electrode and can be quantified as the reciprocal of the rate of hydrogen (oxidation) reaction at the hydrogen sensing electrode (H 2 →2H + +2e, where e is (showing electrons at the anode). However, in practical applications of the invention, such quantification is not required. A high value of reaction impedance, of course, corresponds to a slow rate of hydrogen oxidation at the hydrogen sensing electrode. The term "membrane impedance" refers to the hydrogen diffusion impedance provided by a membrane and can be quantified as the inverse of the rate of hydrogen diffusion (permeation) through the membrane. Although such quantification is not necessary when actually using the present invention,
Specific data for the hydrogen permeability of many commercially available polymeric films is available or can be readily measured. To carry out the method of the present invention, the membrane impedance sufficiently exceeds the reaction impedance to provide membrane-controlled cell operation (hereinafter referred to as "M/C operation"), i.e., reaction-controlled cell operation (hereinafter referred to as "M/C operation"). It is important to prevent "R/C operation") and maintaining this requirement is essential to the present invention as a corollary to using a hydrogen sensing electrode with a smooth sensing surface of platinum metal. In view of this, for many purposes of the present invention, it is necessary to check the results, i.e. maintain M/C operation or R/C using a given MEAC with a given polished platinum electrode and a given electrolyte. It is sufficient to check for avoidance of manipulation. A first convenient method is to determine the dependence of the current of a given sensor on the partial pressure of hydrogen in the ambient or test gas (hereinafter referred to as "current/pressure dependence") for membranes made of different materials and/or different thicknesses. ) is to be measured and recorded. For reasons that become clear from the numerical model explained in the examples, the current/pressure dependence is linear only in the M/C operation according to the invention. moreover,
Diffusion theory [G.M. Hale et al., Journal of Electroanalytical Chemistry, Vol.
107 (1980), pp. 281-294] and the measurement of the response time of the MEAC to a step change in hydrogen, described in detail below, shows that the MEAC
shows a linear dependence of the reduced time parameter on time only when operated in the R/
In the case of the C operation, the dependence of the reduced time parameter on time is clearly non-linear. In contrast, the time dependence or drift (i.e., negative stability) of other similarly obtained hydrogen measurements
can be used to prove the M/C operation according to the present invention. For example, when repeated measurements are taken, the drift toward lower values is generally less than 1% per day in M/C operations and greater than 10% per day in R/C operations. The provision to indirectly control M/C operations relative to R/C operations is advantageous. This is because the actual hydrogen permeation is determined by the specific nominal hydrogen permeability of a given organic polymer film (often in molar units such as membrane surface area, pressure difference and μmol of hydrogen per hour).
expressed as μmol·m -2 ·(Kg/m 2 ) -1 ·sec -1 ) and specific nominal thickness (e.g. μmol·m -2·(Kg/m 2 ) -1·sec -1)
m), but also on incidental factors such as intentional or accidental stretching of the membrane. Although a number of non-limiting examples of organic polymers commercially available as films of various dimensions and suitable for the present invention are shown in the table below, it is understood that organic polymer films of essentially specific thicknesses are suitable. Ru. That is, it is the actual "permeability value" of the membrane that essentially determines the rate of hydrogen diffusion. "Permeability" is a unit often given without reference to the actual membrane thickness, and the "permeability coefficient" given below relates to units of dimension or thickness (μm). Generally suitable membranes are less than 9.8 x 102 , preferably
9.8×10 (μmol・μm・m -2・(Kg/m 2 ) -1・s -1 )
It has a hydrogen permeability coefficient of less than 9.8×
Membranes with permeability coefficients of less than 10 can be used in typical thicknesses of 25.4 μm or less, such as up to about 10 μm. Membranes with permeability coefficients in the range 9.8×10 to 9.8×10 2 are suitable for use with higher membrane thicknesses (i.e. 50 to 150 μm).
The membrane pressure is generally less than 300 μm, preferably less than 100 μm, particularly preferably less than 50 μm, for many purposes of the invention where it is important to respond relatively quickly to step changes in hydrogen partial pressure in the surrounding fluid. Let's understand what should be done. On the other hand, very thick membranes of about 1 mm can be used with membrane materials having high hydrogen permeability (eg silicone rubber). However, halogen-containing polymers that provide low permeability coefficients are suitable for many purposes. Specific products include, but are not limited to:

【表】 他の例はポリ弗化ビニリデン(記号:PVDF)、
ポリ(モノクロルトリフルオロエチレン)(記
号:PCTFE)、ポリ(テトラフルオロエチレン)
(記号:PTFE)などの重合体を包含する。 「白金族の金属」という用語は、「白金族」の
金属、たとえばPt、Pd、Rh、Ir、RuおよびOS、
並びにこれらの金属同志またはこれらの金属とた
とえば金のように貴金属の合金または混合物を包
含する。ほぼ純粋な白金が本発明の目的に適して
おり、かつ好適である。 本発明の方法に使用する電解液は水性である。
規定度範囲、たとえば0.5〜2Nの濃度の無機酸も
しくは有機酸および無機塩基もしくは有機塩基の
塩の水溶液が適している。好ましくは相容性、耐
腐食性などのMEACパラメータのような因子を
考慮して、選択される電解液はできるだけ極性の
低いアニオンを含有すべきである。何故なら、こ
のようなアニオンは水素検知電極表面に吸着され
る量が少なく、したがつてこれは下記に説明する
ように安定操作に好適であるからである。極性の
順序(高い方から低い方へ)は次のように示すこ
とができる。I->Br->C1->SO4 --、C1O4 -
F-。たとえば、水溶性弗化物または過塩素塩酸
はしばしば沃化物、臭化物および塩化物よりも好
適であり、また低い抵抗を与える塩が好適であつ
て、弗化ナトリウムが適例である。 アニオンの吸着度に影響を与えうる他の因子
は、水素検知電極(陽極)と対向電極(陰極)と
の間に印加される電圧である。一般に、本発明の
方法においては、水素検知電極に対するアニオン
の吸着はできるだけ低く保つのが好ましい。何故
なら、このような吸着は水素検知電極における水
素の吸着と競合するからである(電気的活性種は
電解酸化により測定すべきである)。各水素分子
は、酸化されるためには、2個の吸着水素原子に
解離されねばならず、電解液からのアニオンの吸
着が増加すると反応性水素の数が減少する。した
がつて、電圧に依存するアニオン吸着の増加が顕
著となり、電圧を増加した際に観察電流が低下す
る(電圧が増加した際に指数関数的に増加する代
りに)する場合には、電圧に依存するアニオン吸
着の増加を検出することができる。その結果、分
極用に用いられる電圧は、好ましくはできるだけ
低く選択され、操作可能な電流の範囲は、電流が
周囲の水素分圧に直線的に関連づけられる範囲に
指定される。 検知表面の表面特性を説明するために本明細書
中に使用する「ほぼ平滑」という用語は、典型的
には50%以上の高い反射率で規定される「艶」
「輝き」または「研磨」を意味する。表面が「粗
く」または「黒色」でありかつ実際の表面積が見
掛表面積の何百倍にもなるような水素検知に対す
る従来の陽極とは異なり、本発明による典型的な
平滑な水素検知電極表面は、金属白金表面を艶の
ある物質的に鏡状の表面外観が得られるまで磨く
ことにより得られる。典型的には平滑な表面の実
表面積は、見掛表面積の3倍未満、典型的には1
〜2倍以下である。この比を測定する適当な方法
はそれ自体公知であり、水素イオンの還元により
水素が発生する電圧で試験すべき表面の容量を測
定し、かつ得られた値を完全に平滑な水銀電極の
値と比較することによる二重層容量の測定または
電荷測定を包含する[イー・シー・ポツターによ
る論文、エレクトロケミストリー、ロンドン、
1956]。 他の適する方法は、見掛面積ではなく実面積を
示す電荷測定法または吸着法である。 「印加電圧」という用語は、水素検知電極と対
向電極との間に印加される電位差を意味する。反
応速度を印加電圧の増加により増大させ、反応イ
ンピーダンスを減少させうるので、所定の膜イン
ピーダンスを得るための所望のM/C操作は、こ
のようにして容易に達成されうると思われる。し
かしながら、水(電解液の1部である)の酸化に
対する閾値に直ちに到達する((1.23V)。この閾
値は反応インピーダンスを低下させるための限界
を示す。さらに、前述したように、できるだけゼ
ロに近い電圧における分極化は、望ましくないア
ニオン吸着を最小化させる傾向を有し、許容しう
る電流範囲を維持するのに好適である。 本発明の方法を操作する際の典型的な電流は、
電解液の性質に依存する。たとえば、1Nの硫酸
(水性)で操作する場合、水素検知電極面積1mm2
当り3μAまで、もしくはそれ以上の電流が水素分
圧1.02Kg/cm2につき観察される。塩化物の電解液
の場合、より低い電流レベルが観察され、分圧
(H2)1.02Kg/cm2当りの電流が水素検知電極面積
1mm2当り1μA未満に維持される点まで膜インピー
ダンスを増大させるのが望ましい。 前述したように、本発明による水素測定の際の
許容しうる測定安定度は、1日当り1%未満のド
リフトを意味する。本発明によるM/C操作の他
の利点は、典型的には約1000ml/minという従来
の水素検知に必要とされた数値よりも充分低い、
たとえば200〜300ml/minの流速(周囲流体)を
達成しうるという事実に存在すると思われる。 各種のまたは種々の起原の本発明に使用するの
に適するMEAC装置を使用することができる。
好適種類は前述の米国特許第3096047号公報に記
載されたものであり(圧力シール)、中央電極が
研磨白金で被覆されており、前述の米国特許第
4325797号に開示された変形(膜保持装置)を用
いても用いなくてもよく、かつ前述のドイツ特許
第2851447号の変形(保護電極)を伴なつても伴
わなくてもよい。 市販のMEAC装置はスイス国、ジユネーブ在、
オルビスフエアー・ラボラトリース社によりモデ
ル第2230型として市販されているものであり、こ
の場合中央電極には白金シートを剛基板に圧延す
ることにより300μmの白金層が設けられている。 電圧源、温度補償手段、増幅器、記録装置、電
解液などを含め電流測定に一般に必要とされる他
の物質も市販されており、適する膜は前述の種類
の市販の重合体フイルムから切断することができ
る。 以下、添付図面を参照して本発明を実施例につ
きさらに説明する。 第1図は酸素検知用として知られた種類のセン
サ10の構造を示す断面図である。センサ10は
ほぼ円筒状であり、ほぼ同軸配置として次の主要
な部材を備える。外側ケース11はその上端部に
保持リング13により膜12を保持しかつ陰極対
向電極としての対向電極14を囲繞し、対向電極
14は水素検知の際(すなわち前述したような元
素状水素の電解酸化に対し)陰極となる。電気絶
縁層15は対向電極14を隣接電極16から分離
し、隣接電極16はこの説明において中央の陽極
水素検知電極としての検知電極18とほぼ同じ電
位に維持される適宜の保護電極であり、検知電極
18は水素検知の際に陽極となる。絶縁層17を
保護電極16と検知電極18との間に配置する。
電解液貯槽19を設けて、水素検知について前述
した種類の水性電解液を収容する。 当業界で知られているように、電解液は連続的
かつ好ましくは極めて薄い層を膜12と検知電極
18の電解液露呈検知表面180との間に形成す
る。 本発明の目的で、検知表面180は金属白金、
たとえば純粋の白金からなり、ほぼ平滑であつて
(たとえば研磨されて)鏡状の表面品質に相当す
る少なくとも50%の反射率を達成する。検知電極
18全体は金属白金で作成されうるので、一般に
教μ、(たとえば5〜50μm)またはmm程度(た
とえば0.1〜1mm)の厚さを有する表面層を、た
とえば圧延もしくはハンダ付け技術により基体上
へ施こせば充分である。 酸素検知および水素検知の両者において、従来
技術と異なり、膜12は対象とする電気的活性種
に対して高い透過性については選択されず、寧ろ
制限された好ましくは低い水素透過度の膜12を
前述のように使用して膜インピーダンスが反応イ
ンピーダンスを充分に越える際に生ずる膜制限さ
れた(M/C)セル反応を達成する。 第2図は前述したようなセンサ(オルビスフエ
アー・ラボラトリース社、モデル2230型)により
得られる種々の電流/圧力曲線を示すグラフであ
る。検知電極18の白金表面は0.5μm未満の粒度
を有する研磨ペーストを用いて鏡輝度まで研磨し
た。 使用した膜は厚さ12.7μm(12、7μm、曲線
A;25.4μm、曲線B)および127μm(127μm、
曲線C)の市販FEP(表に記載)で構成した。
縦軸に電流i(典型的にはμA)をプロツトし、横
軸には流体媒体としての周囲流体における水素の
分圧P=(フガシチー)を0.102Kg/cm2の単位でプ
ロツトする。使用した電解液は1Nの硫酸水溶液
とした。膜12の外部の周囲流体は、0〜1.43
Kg/cm2の水素フガシチーを有する窒素と水素との
気体混合物とした。 曲線Aは、12.7μmのFEP膜が本発明の方法に
は適していないことを示している。何故なら、比
較的小さい水素フガシチーの増加の後、約130μA
にて「飽和」電流、すなわち水平部分に達したか
らである。この水平部分に達した後、水素フガシ
チーがさらに増大しても顕著な電流変化は与えら
れなかつた。このことは、反応インピーダンスの
優勢に基づくR/C操作を示す。 他の膜厚さを使用する以外には曲線Aと同様に
測定した曲線Bは、2倍の厚さを有するFEP膜
(25.4μmまで)が電流/フガシチーの比例関係を
改善することを示しているが、これはM/C操作
を示す電流/フガシチー関係の直線性を与えるよ
うに膜インピーダンスを充分に増大させないこと
を示している。 第2図の曲線Cは、曲線Aの場合の10倍の厚さ
(127μm)を有する特定の膜材料FEP厳密な電
流/フガシチーの直線関係を達成するのに充分で
あること、すなわち反応インピーダンスよりも膜
インピーダンスが充分に優勢であつて、M/C操
作を達成し得ることを示している。 少なくとも理論的には、膜材料は第2図の曲線
A,BおよびCに相当する全部で3種類の電流/
フガシチー(水素)関係を示すことが明らかであ
る。しかしながら、大して適当でない材料は実用
目的には厚過ぎる膜厚さにおいてのみ直線性を示
し(曲線C)、これに対し極めて低い水素透過係
数を有する好適な膜材料は、本発明による水素検
知に使用する場合25μmまたは10μmの膜厚さに
おいて常に直線性を示す。 上記の透過係数は、比較目的および迅速な方向
付けの目的で示したものである。それらの測定に
使用する方法を下記に説明するが、他の方法も使
用することができる。工業上簡便にしばしば使用
されるため、膜厚さをμmで示す。 本発明の実施例によれば、センサ10は、反応
インピーダンスを有する電流測定セルを構成し、
センサ10は、検知電極18と、対向電極14
と、元素状水素に対し透過性であるが電解液に対
し実質的に不透過性であり且つ膜インピーダンス
を与える膜12とを備えている。 検知電極18は白金族の金属よりなるほぼ平滑
な検知表面180を有し、ほぼ平滑な検知表面1
80は、1:1〜1:3の範囲の見掛表面積:実
表面積の比を有している。 膜インピーダンスは、センサ10の膜制御操作
を行うため十分に反応インピーダンスを越えるよ
うに選択される。 本実施例による元素状水素の定量的電気分析測
定方法は、水性電解液と接触してセンサ10の反
応インピーダンスを与える少なくとも2本の電極
を備え、元素状水素に対して透過性であるが電解
液に対し実質的に不透過性である膜12により電
解液を周囲流体から分離して、センサ10の膜イ
ンピーダンスが与えられているセンサ10により
周囲流体中の元素状水素を定量・電気分析的に測
定する方法であつて、前述の少なくとも2本の電
極が検知電極18と対向電極14とからなり、検
知電極18が白金族の金属よりなるほぼ平滑な検
知表面180を有し、検知表面180が1:1〜
1:3の範囲の見掛表面積:実表面積の比を有し
ており、膜インピーダンスが、センサ10の膜制
御操作を行うため充分に反応インピーダンスを越
えるように選択される。 以下、実施例により本発明をさらに説明する。 実施例 1 上記第表に示した膜材料の水素透過係数を、
第1図および第2図に関連して既に説明したモデ
ル2230型(オルビスフエアー・ラボラトリース
社)を用いて測定した。電解液は1Nを硫酸水溶
液とし、0.5ボルトの一定のDC電圧を研磨白金製
の水素検知電極Ag/AgC1対向電極との間に印加
した。次いで、問題とすると膜材料の水素透過値
(HPV)を、センサに既知厚さの試験膜材料を設
け、このセンサを既知水素フガシチー(1.02Kg/
cm2)の試験雰囲気にさらし、センサに対する電流
の通過を測定し、かつ次の関係式からHPVを計
算することにより測定した。 HPV=電流(クローン/秒)・膜厚さ(m)
/電極面積(m2)・2フアラデー(クローン/モル)・
H2圧力(Kg/cm2) 分母に係数2を含ませる理由は、電極反応の際
に2フアラデーの電荷を分子状水素の1モルに加
えるからである。 25.4μmのETFE膜(厚さ25.4×10-6m)はF=
9.64867×104クローン/モルを用いて1.02Kg/cm2
の水素圧力にて電極面積(3.142×10-5m2)に対
し37.5×10-6クローン/秒(37.5μA)の電流を発
生した。すなわちHPVは1.54×10-10(mol・m/
m2・Kg/cm2・sec)である。 厚さ25.4μmの他の材料のフイルムと、1.02
Kg/cm2の水素圧力とを用いて次の電流(μA)が
測定された。PVF2.5、PFA140、FEP100および
E−CTFE3.61。これらの数値から計算した水素
透過係数を上記第表に要約する。 実施例 2 研磨した白金の円盤状の水素検知電極(直径
6.32mm)と塩化銀陰極(対向電極)とを備える実
施例1のセンサに蒸留水1当り1モルのKC1と
1モルのHC1とを含有する電解液を満たし、か
つ12.7μmのPVFで作成した膜を装着した。0.7V
の電位をセンサの水素検知電極と対向電極との間
に印加し、かくして1.02Kg/cm2のH2分圧の雰囲
気における電流は5μAであることが判明した。 測定電流と水素フガシチーとの間の関係は、 1.02Kg/cm2から5.10Kg/cm2まで)1.5ppb〜
7.5ppmまでの25℃における水中の溶解水素濃度
の範囲に相当する)の範囲にわたり直線であるこ
とが判明した。 25℃における応答時間は、全信号変化の90%に
つき、5.2秒であると測定された。 1日当り1%未満の下方へのドリフト割合が、
センサを全圧力1.02Kg/cm2にて水で飽和された水
素の一定雰囲気に露呈した場合、1週間にわたり
記録された。 200ml/minを若干越える流速が有効な測定に
適していると判明した。 実施例 3 本実施例は、水素測定用センサが特定用途に用
いられる場合に要求される事項が測定すべき水素
分圧の範囲および許容しうる反応時間に影響を与
えることを示す目的を有する。幾つかの簡単な実
験により、選択した膜がこれらの要求事項を満た
すかどうか確認した。或る種の膜は、応答が遅過
ぎるという理由、即ち、不透過性であるため検出
能の閾値が測定すべき圧力範囲の下限より高いと
いう理由で適当ではない。このことは異常に厚い
膜を用いて下記に示される。 実施例2のセンサに1Nに硫酸を電解液として
満たし、かつ厚さ(127μmのFEP、ETFEおよび
E−CTFEの膜を装着した。それぞれの場合、既
知分圧の水素に曝されたときセンサにより発生す
る電流を測定することによりその感度を決定し
た。これらの結果を第に記録する。 さらに、水素分圧の段階的変化に対するセンサ
の応答を測定し、かつ拡散理論にしたがつて解析
した(実施例4参照)。これらの解析から決定さ
れた特性時間τ=X2 n/Dnをも第表に示し、さ
らに90%応答時間0.305τも示す。 センサを1.02Kg/cm2の圧力の純窒素に曝すと、
膜の性質には無関係に測定電流は1.5nAとなつ
た。したがつて、1.5nA未満のセンサ電流を発生
する水素分圧は検出能の閾値より低い。 たとえば、厚さ127μmのFEP膜を装着したセ
ンサにつき、この閾値は次の通りである。 1.5(nA)/19700(nA/Kg/cm2)=7.65×10-5Kg/cm2 これらの閾値をも第表に示す。
[Table] Other examples are polyvinylidene fluoride (symbol: PVDF),
Poly(monochlorotrifluoroethylene) (symbol: PCTFE), poly(tetrafluoroethylene)
(Symbol: PTFE) and other polymers. The term "platinum group metals" refers to metals of the "platinum group" such as Pt, Pd, Rh, Ir, Ru and OS,
It also includes alloys or mixtures of these metals or these metals with noble metals such as gold. Substantially pure platinum is suitable and preferred for purposes of the present invention. The electrolyte used in the method of the invention is aqueous.
Aqueous solutions of salts of inorganic or organic acids and inorganic or organic bases with concentrations in the normality range, for example from 0.5 to 2N, are suitable. Preferably, the electrolyte selected should contain as few anions as possible, taking into account factors such as MEAC parameters such as compatibility, corrosion resistance, etc. This is because such anions are adsorbed in small amounts on the surface of the hydrogen sensing electrode, which is therefore suitable for stable operation as explained below. The order of polarity (from high to low) can be shown as follows: I - >Br - >C1 - >SO 4 -- , C1O 4 - ,
F- . For example, water-soluble fluorides or perchloric acid are often preferred over iodides, bromides and chlorides, and salts that provide low resistance are preferred, with sodium fluoride being a suitable example. Another factor that can influence the degree of anion adsorption is the voltage applied between the hydrogen sensing electrode (anode) and the counter electrode (cathode). Generally, in the method of the present invention, it is preferred to keep the adsorption of anions to the hydrogen sensing electrode as low as possible. This is because such adsorption competes with the adsorption of hydrogen at the hydrogen sensing electrode (electroactive species should be measured by electrooxidation). Each hydrogen molecule must be dissociated into two adsorbed hydrogen atoms in order to be oxidized, and increasing adsorption of anions from the electrolyte reduces the number of reactive hydrogens. Therefore, if the voltage-dependent increase in anion adsorption becomes significant and the observed current decreases with increasing voltage (instead of increasing exponentially with increasing voltage), then A dependent increase in anion adsorption can be detected. As a result, the voltage used for polarization is preferably chosen as low as possible, and the range of operable currents is specified in such a range that the current is linearly related to the ambient hydrogen partial pressure. The term "substantially smooth" as used herein to describe the surface characteristics of a sensing surface is defined as a "smooth" surface, typically defined by a high reflectance of 50% or higher.
Meaning "shining" or "polishing". Unlike conventional anodes for hydrogen sensing that have "rough" or "black" surfaces and where the actual surface area is hundreds of times the apparent surface area, the typical smooth hydrogen sensing electrode surface of the present invention is , obtained by polishing a metallic platinum surface until a shiny, materially mirror-like surface appearance is obtained. Typically the actual surface area of a smooth surface is less than 3 times the apparent surface area, typically 1
~2 times or less. A suitable method for determining this ratio is known per se, by measuring the capacitance of the surface to be tested at the voltage at which hydrogen is evolved by reduction of hydrogen ions, and comparing the obtained value to that of a perfectly smooth mercury electrode. [Article by E.C. Potter, Electrochemistry, London, p.
1956]. Other suitable methods are charge measurements or adsorption methods, which indicate the actual area rather than the apparent area. The term "applied voltage" means the potential difference applied between the hydrogen sensing electrode and the counter electrode. It appears that the desired M/C operation to obtain a given membrane impedance can be easily achieved in this way, since the reaction rate can be increased and the reaction impedance can be decreased by increasing the applied voltage. However, the threshold for the oxidation of water (which is part of the electrolyte) is quickly reached ((1.23 V). This threshold represents the limit for reducing the reaction impedance. Furthermore, as mentioned above, it should be reduced to zero as much as possible. Polarization at close voltages tends to minimize undesirable anion adsorption and is preferred to maintain an acceptable current range. Typical currents when operating the method of the invention are:
Depends on the nature of the electrolyte. For example, when operating with 1N sulfuric acid (aqueous), the hydrogen sensing electrode area is 1 mm 2
Currents of up to 3 μA or more per hydrogen partial pressure of 1.02 Kg/cm 2 are observed. For chloride electrolytes, lower current levels are observed, increasing the membrane impedance to the point that the current per 1.02 Kg/ cm2 of partial pressure ( H2 ) is maintained below 1 μA per mm2 of hydrogen sensing electrode area. It is desirable to do so. As mentioned above, acceptable measurement stability during hydrogen measurements according to the invention means a drift of less than 1% per day. Another advantage of the M/C operation according to the present invention is that the M/C operation according to the present invention is typically about 1000 ml/min, which is well below that required for conventional hydrogen sensing.
This may lie in the fact that flow rates (ambient fluid) of, for example, 200-300 ml/min can be achieved. MEAC devices of various types or of various origins can be used that are suitable for use with the present invention.
A preferred type is that described in the aforementioned U.S. Pat. No. 3,096,047 (pressure seal), in which the central electrode is coated with polished platinum,
4325797 (membrane holding device) and with or without the variant disclosed in DE 2851447 mentioned above (protected electrode). Commercially available MEAC equipment is located in Geneva, Switzerland.
It is commercially available as Model No. 2230 by Orbisphere Laboratories, Inc., in which the central electrode is provided with a 300 μm layer of platinum by rolling a platinum sheet onto a rigid substrate. Other materials commonly required for current measurements are also commercially available, including voltage sources, temperature compensation means, amplifiers, recording devices, electrolytes, etc., and suitable membranes can be cut from commercially available polymeric films of the type described above. I can do it. Hereinafter, the invention will be further explained by way of example with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a sensor 10 of a known type for oxygen detection. Sensor 10 is generally cylindrical and includes the following major components in a generally coaxial arrangement: The outer case 11 holds the membrane 12 at its upper end by a retaining ring 13 and surrounds a counter electrode 14 as a cathode counter electrode, which is used for hydrogen detection (i.e. for electrolytic oxidation of elemental hydrogen as described above). ) becomes the cathode. An electrically insulating layer 15 separates the counter electrode 14 from an adjacent electrode 16, which in this description is a suitable protective electrode maintained at approximately the same potential as the sensing electrode 18, which is the central anodic hydrogen sensing electrode and is a sensing electrode. The electrode 18 serves as an anode during hydrogen detection. An insulating layer 17 is placed between the protective electrode 16 and the sensing electrode 18.
An electrolyte reservoir 19 is provided to contain an aqueous electrolyte of the type described above for hydrogen sensing. As is known in the art, the electrolyte forms a continuous and preferably very thin layer between the membrane 12 and the electrolyte-exposed sensing surface 180 of the sensing electrode 18. For purposes of the present invention, sensing surface 180 is metallic platinum,
For example, it is made of pure platinum and is substantially smooth (eg, polished) to achieve a reflectance of at least 50%, which corresponds to a mirror-like surface quality. Since the entire sensing electrode 18 may be made of metallic platinum, a surface layer having a thickness on the order of micrometers (for example 5 to 50 micrometers) or mm (for example 0.1 to 1 mm) is generally applied to the substrate by, for example, rolling or soldering techniques. It is sufficient to apply it to In both oxygen and hydrogen sensing, unlike the prior art, the membrane 12 is not selected for high permeability to the electroactive species of interest, but rather has a membrane 12 of limited, preferably low hydrogen permeability. Used as described above to achieve membrane limited (M/C) cell reactions, which occur when the membrane impedance significantly exceeds the reaction impedance. FIG. 2 is a graph showing various current/pressure curves obtained with a sensor (Orbisphere Laboratories, Model 2230) as described above. The platinum surface of the sensing electrode 18 was polished to specular brightness using a polishing paste with a particle size of less than 0.5 μm. The membranes used had a thickness of 12.7 μm (12,7 μm, curve A; 25.4 μm, curve B) and 127 μm (127 μm, curve A).
It was constructed with commercially available FEP (listed in the table) of curve C).
On the vertical axis, the current i (typically μA) is plotted, and on the horizontal axis, the partial pressure P=(fugacity) of hydrogen in the surrounding fluid as fluid medium is plotted in units of 0.102 Kg/cm 2 . The electrolyte used was a 1N sulfuric acid aqueous solution. The ambient fluid outside the membrane 12 is between 0 and 1.43
A gaseous mixture of nitrogen and hydrogen was prepared with a hydrogen fugacity of Kg/cm 2 . Curve A shows that 12.7 μm FEP membranes are not suitable for the method of the invention. Because after a relatively small increase in hydrogen fugacity, about 130μA
This is because the "saturation" current, or horizontal portion, is reached at . After reaching this plateau, further increases in hydrogen fugacity did not result in significant current changes. This indicates R/C operation based on the dominance of reactive impedance. Curve B, measured similarly to curve A except using other film thicknesses, shows that FEP films with twice the thickness (up to 25.4 μm) improve the current/fugacity proportionality. However, this indicates that the membrane impedance is not increased sufficiently to provide linearity of the current/fugacity relationship indicative of M/C operation. Curve C in Figure 2 shows that a specific membrane material FEP with a thickness 10 times that of curve A (127 μm) is sufficient to achieve a strict current/fugacity linear relationship, i.e., the reaction impedance is This shows that the membrane impedance is sufficiently dominant to achieve M/C operation. At least theoretically, the membrane material can handle a total of three types of current/current, corresponding to curves A, B, and C in FIG.
It is clear that a fugacy (hydrogen) relationship is shown. However, less suitable materials exhibit linearity only at membrane thicknesses that are too large for practical purposes (curve C), whereas preferred membrane materials with very low hydrogen permeability coefficients can be used for hydrogen sensing according to the present invention. In this case, linearity is always exhibited at film thicknesses of 25 μm or 10 μm. The above transmission coefficients are given for comparison purposes and quick orientation purposes. The methods used for these measurements are described below, but other methods can also be used. The film thickness is expressed in μm because it is often used for industrial convenience. According to an embodiment of the invention, the sensor 10 constitutes an amperometric cell with a reactive impedance;
The sensor 10 includes a sensing electrode 18 and a counter electrode 14.
and a membrane 12 that is permeable to elemental hydrogen but substantially impermeable to electrolyte and provides a membrane impedance. The sensing electrode 18 has a substantially smooth sensing surface 180 made of a platinum group metal, and the sensing electrode 18 has a substantially smooth sensing surface 180 made of a platinum group metal.
80 has an apparent surface area to actual surface area ratio ranging from 1:1 to 1:3. The membrane impedance is selected to sufficiently exceed the reactive impedance to effect membrane control operation of sensor 10. The quantitative electroanalytical measurement method for elemental hydrogen according to this embodiment includes at least two electrodes that are in contact with an aqueous electrolyte and provide a reactive impedance of the sensor 10, and that are permeable to elemental hydrogen but not electrolytic. The electrolyte is separated from the surrounding fluid by a membrane 12 that is substantially impermeable to the liquid, and the sensor 10, given the membrane impedance of the sensor 10, quantitatively and electroanalytically detects elemental hydrogen in the surrounding fluid. , the at least two electrodes include a sensing electrode 18 and a counter electrode 14, the sensing electrode 18 has a substantially smooth sensing surface 180 made of a platinum group metal, and the sensing electrode 18 has a substantially smooth sensing surface 180 made of a platinum group metal. is 1:1~
With an apparent surface area:real surface area ratio in the range of 1:3, the membrane impedance is selected to sufficiently exceed the reactive impedance to effect membrane control operation of the sensor 10. The present invention will be further explained below with reference to Examples. Example 1 The hydrogen permeability coefficient of the membrane material shown in the table above is
Measurements were made using the model 2230 (Orbisphere Laboratories, Inc.) previously described in connection with FIGS. 1 and 2. The electrolyte was a 1N sulfuric acid aqueous solution, and a constant DC voltage of 0.5 volt was applied between the hydrogen sensing electrode made of polished platinum and the Ag/AgC1 counter electrode. Next, to determine the hydrogen permeability value (HPV) of the membrane material, a test membrane material of known thickness is installed on the sensor, and this sensor is tested for the hydrogen permeability value (HPV) of the membrane material with a known thickness (1.02Kg/
cm 2 ) in a test atmosphere, measuring the passage of current through the sensor, and calculating the HPV from the following relationship: HPV = Current (clones/second)/Membrane thickness (m)
/electrode area (m 2 )・2 furadays (clones/mole)・
H 2 Pressure (Kg/cm 2 ) The reason why the factor 2 is included in the denominator is that a charge of 2 Faradays is added to 1 mole of molecular hydrogen during the electrode reaction. 25.4μm ETFE film (thickness 25.4×10 -6 m) is F=
1.02Kg/cm 2 using 9.64867×10 4 clones/mol
A current of 37.5×10 −6 clones/second (37.5 μA) was generated for the electrode area (3.142×10 −5 m 2 ) at a hydrogen pressure of . In other words, HPV is 1.54×10 -10 (mol・m/
m2・Kg/ cm2・sec). A film of other materials with a thickness of 25.4μm and a film of 1.02μm
The following current (μA) was measured using a hydrogen pressure of Kg/cm 2 . PVF2.5, PFA140, FEP100 and E-CTFE3.61. The hydrogen permeability coefficients calculated from these values are summarized in the table above. Example 2 Polished platinum disk-shaped hydrogen sensing electrode (diameter
6.32 mm) and a silver chloride cathode (counter electrode) was filled with an electrolyte containing 1 mole of KC1 and 1 mole of HC1 per distilled water, and was made of 12.7 μm PVF. The membrane was attached. 0.7V
was applied between the hydrogen sensing electrode and the counter electrode of the sensor, and the current in an atmosphere of H 2 partial pressure of 1.02 Kg/cm 2 was thus found to be 5 μA. The relationship between measured current and hydrogen fugacity is from 1.5ppb to 1.02Kg/ cm2 to 5.10Kg/ cm2 )
It was found to be linear over a range of up to 7.5 ppm (corresponding to the range of dissolved hydrogen concentrations in water at 25 °C). The response time at 25°C was measured to be 5.2 seconds for 90% of the total signal change. The downward drift rate is less than 1% per day.
Recordings were made over a period of one week when the sensor was exposed to a constant atmosphere of hydrogen saturated with water at a total pressure of 1.02 Kg/cm 2 . Flow rates slightly above 200 ml/min have been found to be suitable for valid measurements. Example 3 This example has the purpose of showing that the requirements when a hydrogen measurement sensor is used for a specific application affect the range of hydrogen partial pressures to be measured and the allowable reaction time. Some simple experiments confirmed whether the selected membranes met these requirements. Certain membranes are not suitable because they respond too slowly, or because they are impermeable and the detection threshold is higher than the lower limit of the pressure range to be measured. This is demonstrated below using an unusually thick film. The sensor of Example 2 was filled with 1N sulfuric acid as an electrolyte and equipped with membranes of FEP, ETFE, and E-CTFE with a thickness of 127 μm. In each case, when exposed to a known partial pressure of hydrogen, the sensor Its sensitivity was determined by measuring the current generated. These results are recorded in the first place. In addition, the response of the sensor to stepwise changes in hydrogen partial pressure was measured and analyzed according to diffusion theory ( (See Example 4 ) .The characteristic time τ = When exposed to pure nitrogen,
The measured current was 1.5 nA regardless of the film properties. Therefore, a hydrogen partial pressure that produces a sensor current of less than 1.5 nA is below the detectability threshold. For example, for a sensor equipped with a 127 μm thick FEP membrane, this threshold value is as follows. 1.5 (nA)/19700 (nA/Kg/cm 2 )=7.65×10 −5 Kg/cm 2 These threshold values are also shown in the table.

【表】 実施例 4 上記実施例のセンサに、(A)厚さ127μmのETFE
膜と、(B)厚さ12.7μmのETFE膜と、(C)厚さ127μ
mのECTFE膜と、(D)厚さ127μmのFEP膜とをそ
れぞれ装着し、それぞれの場合水素分圧(フガシ
チー)の第1圧から第2圧力までの限定された段
階的変化に対しセンサの応答を25℃で測定し、そ
れらの結果を時間/応答挙動につき解析した。 拡散理論によれば、水素フガシチーの急速な段
階的変化の後、種々の時間tにおいて観察される
センサ電流iはM/C操作において次式、 i−i0/i−i0=1+2n=1 (−1)nexp[−n2π2t/τ] [式中、i0は初期電流、iは最終定常状態の電
流、かつτ=X2 n/Dnは、溶解ガス分子の膜通過
に関する特性時間である。]により示される[ヘ
イル等、ジヤーナル・エレクトロアナリチカル・
ケミストリー、第107巻、(1980)、第281頁]。し
たがつて、これはM/C操作とR/C操作とを区
別しうる実験的電流/時間データの簡単な分析方
法を与え、迅速試験は、センサが全信号変化の
種々の部分に達する時間を比較することである: i−i0/i∞−i0・100=全信号変化のn% これら時間の幾つかは次の通りである: 25 % 0.094τ 50 % 0.138τ 63.2% 0.170τ 75 % 0.210τ 90 % 0.305τ 95 % 0.375τ 99 % 0.530τ したがつて、25%変化に対する時間対75%変化
に対する時間の比は次式となる: 0.210τ/0.094τ=2.23 同様な比が瞬間的応答の全部に適合することが
判かれば、電流は拡散制御のはずであり、水素測
定に対しMEACを操作する際のt/τ関数の直
線性は本発明の方法に必要とされるセンサのM/
C操作を示す。 次の第表は、0.102Kg/cm2〜0.306Kg/cm2(25
℃)で水素フガシチー段階に応答して測定された
厚さ127μmのETFE膜に対する基準化電流 i−i0−/i∞−i0(「A−1」)、 秒で表わした時間(「A−2」)、および対応す
る換算時間もしくはt/τ値(「A−3」)を示し
ている。
[Table] Example 4 In the sensor of the above example, (A) 127 μm thick ETFE
(B) 12.7 μm thick ETFE film, (C) 127 μm thick
(D) an ECTFE membrane with a thickness of 127 μm and (D) an FEP membrane with a thickness of 127 μm. The responses were measured at 25°C and the results analyzed in terms of time/response behavior. According to diffusion theory, after a rapid stepwise change in hydrogen fugacity, the sensor current i observed at various times t in M/C operation is expressed as: i-i 0 /i −i 0 =1+2 n=1 (-1) n exp[-n 2 π 2 t/τ] [where i 0 is the initial current, i is the final steady state current, and τ=X 2 n /D n is, It is the characteristic time for the passage of dissolved gas molecules through the membrane. ] [Hale et al., Journal Electroanalytical
Chemistry, Vol. 107, (1980), p. 281]. This therefore provides a simple method of analysis of experimental current/time data that can distinguish between M/C and R/C operations, and a rapid test can determine the time at which the sensor reaches various parts of the total signal change. is to compare: i−i 0 /i∞−i 0・100 = n% of total signal change Some of these times are: 25% 0.094τ 50% 0.138τ 63.2% 0.170τ 75 % 0.210τ 90 % 0.305τ 95 % 0.375τ 99 % 0.530τ Therefore, the ratio of time for 25% change to time for 75% change is: 0.210τ / 0.094τ = 2.23 A similar ratio is If found to fit the entire instantaneous response, the current should be diffusion controlled, and the linearity of the t/τ function when operating the MEAC for hydrogen measurements is required for the method of the invention. Sensor M/
C operation is shown. The following table shows the range from 0.102Kg/cm 2 to 0.306Kg/cm 2 (25
Normalized current i−i 0 −/i∞−i 0 (“A−1”) for a 127 μm thick ETFE film measured in response to a hydrogen fugacity step at -2'') and the corresponding converted time or t/τ value (``A-3'').

【表】 A−3はほぼ直線的挙動を示しているので、
MEACの127μmのETFE膜は本発明による水素
測定に際しM/C操作を与える。 この測定を反復しかつ12.7μmのETFE膜(B)を
使用する以外は(A)におけると同じ条件下で分析を
行なつて、下記第表に示す結果を得た。
[Table] Since A-3 shows almost linear behavior,
MEAC's 127 μm ETFE membrane provides M/C operation for hydrogen measurements according to the present invention. This measurement was repeated and the analysis was carried out under the same conditions as in (A) except that a 12.7 μm ETFE membrane (B) was used, and the results shown in the table below were obtained.

【表】 B−3は非直線性を示し、これは厚さ127μm
で使用した場合、本発明の方法につき第表にお
いて適当であつた同じ膜材料ETFEが、厚さ
12.7μmで使用した場合には本発明によるM/C
操作につき必要とされる充分高い膜インピーダン
スを与えないとを示している。 さらに、同様にして25℃で1.02〜2.21Kg/cm2
水素フガシチーの段階を有する膜Cにつき、およ
び25℃にて0.102〜0.306Kg/cm2水素フガシチー段
階を有する膜Dにつき同様にt/τ対t関数の直
線性が確認された。 実施例 5 本発明の教示による数字的解析の目的で、膜イ
ンピーダンスおよび電極反応のインピーダンスが
ほぼ同じ大きさであるセンサに対する式を確立す
る。 定常状態にあり、かつ適当な単位で表わされた
場合に、電流の大きさが、膜を通つてセンサ中へ
流入する水素の正味の速度に等しくなければなら
ないという事実を一方で示すと共に、他方では電
流の大きさが、電極に隣接する電解液空間からの
水素の電気化学反応による消失速度に等しくなけ
ればならないという事実を示すために2つの式が
用いられる。 したがつて (1) i=2FASnDn(P0−Pi)/Xn および (2) i=2FAK(Pin 式中、 i 電流 F フアラデー A 電極面積 Sn 膜中での水素の溶解度 Dn 膜中での水素の拡散係数 P0 膜の外側に作用する水素の分圧 Pi 膜と水素検知電極との間の電解液における水
素の分圧 K 水素検知電極における水素の電解酸化に対す
る動力学的速度定数 n 溶解水素に対する酸化反応の次数 Xn 膜厚さ センサの内側における水素分圧の絶対最大値は
外側の水素分圧に等しい、すなわち
Pi(最大)=P0 電流に対する上限は i1=2FAKPn 0 でなければならない。次いで、Piを方程式から消
去することができる。何故なら Pi=P0(i/i1)1/n となるからである。かくして、上記式(1)は次の通
りとなる。 i=2FASnDnP0/Xn[1−(i/i1)1/3] これは、膜 インピーダンスまたは反応インピーダンスのいず
れか一方、或いはこれらのインピーダンスの両者
がセンサ電流の大きさを制御するMEACの特徴
を説明する所望の式である。 比較のため、酸素検出器として使用される
MEACにおける電流の大きさの方程式を作成す
る。酸素の電解還元は極めて迅速であるため、す
なわちKおよびi1は∞であるため、i/i1は無視
することができる。 (3) i=2FASnDnP0/Xn=id これは、膜を通る反応体の拡散により制限され
るMEACの電流の式である。idにより記号化し
て、拡散が律速的な影響を有するという事実を強
調している。 最初の式をさらに検査すれば、式 (4) i1≫id または (5) SnDn/Xn≪ である場合に拡散制御限界に達することが示され
る。 電極反応速度が極めて遅く (6) i1≪id すなわち (7) K≪SnDn/Xn となる場合、電流の大きさは電極反応の動力学お
よび式 (8) i→i1=2FAKPn 0 により決定される。 n〜0(溶解物質に関し、0次)の場合、電流
はこの極端な場合に水素濃度の尺度とならない。 全式はi1およびidの相対的大きさの全範囲に適
用される。 この結果、動力学的電流限界i1が膜拡散限界id
を充分越えた時のみ、センサは水素分圧に比例す
る出力が発生する。 当分野において、この結果は、反応インピーダ
ンスが充分に減少する程度まで反応速度を増大さ
せることにより達成される。本発明によれば、膜
材料および/または膜厚さは、不等式 SnDn/Xn≪K が、たとえば研磨白金を水素検知電極表面に使用
した場合でも満足されるように選択される。
[Table] B-3 shows non-linearity, which is 127μm thick.
The same membrane material ETFE that was suitable in the table for the method of the invention when used in
M/C according to the invention when used at 12.7μm
It has been shown that this does not provide a sufficiently high membrane impedance as required for operation. Further, similarly , t / The linearity of the τ versus t function was confirmed. Example 5 For purposes of numerical analysis according to the teachings of the present invention, an equation is established for a sensor in which the membrane impedance and the electrode response impedance are approximately the same magnitude. illustrating on the one hand the fact that, at steady state and expressed in suitable units, the magnitude of the current must be equal to the net rate of hydrogen flowing through the membrane into the sensor; On the other hand, two equations are used to illustrate the fact that the magnitude of the current must be equal to the rate of electrochemical disappearance of hydrogen from the electrolyte space adjacent to the electrode. Therefore, (1) i=2FAS n D n (P 0 −P i )/X n and (2) i=2FAK(P i ) nwhere, i Current F Faraday A Electrode area S n in the film Hydrogen solubility D n Diffusion coefficient of hydrogen in the membrane P 0 Partial pressure of hydrogen acting on the outside of the membrane P i Partial pressure of hydrogen in the electrolyte between the membrane and the hydrogen sensing electrode K Partial pressure of hydrogen in the hydrogen sensing electrode Kinetic rate constant for electrolytic oxidation n Order of oxidation reaction on dissolved hydrogen X n Film thickness The absolute maximum value of hydrogen partial pressure inside the sensor is equal to the hydrogen partial pressure outside, i.
The upper limit for P i (max) = P 0 current must be i 1 = 2FAKP n 0 . P i can then be eliminated from the equation. This is because P i =P 0 (i/i1) 1/n . Thus, the above equation (1) becomes as follows. i=2FAS n D n P 0 /X n [1-(i/i1) 1/3 ] This means that either the membrane impedance or the reaction impedance, or both of these impedances control the magnitude of the sensor current. is the desired formula that describes the characteristics of MEAC. For comparison, used as an oxygen detector
Create an equation for the magnitude of the current in the MEAC. Since the electrolytic reduction of oxygen is very rapid, ie K and i 1 are ∞, i/i 1 can be ignored. (3) i=2FAS n D n P 0 /X n = i dThis is the expression for the current in the MEAC limited by the diffusion of reactants through the membrane. Symbolized by i d to emphasize the fact that diffusion has a rate-limiting influence. Further inspection of the first equation shows that the diffusion control limit is reached if equation (4) i 1 ≫i d or (5) S n D n /X n ≪. When the electrode reaction rate is extremely slow (6) i 1 ≪i d , that is, (7) K≪S n D n /X n , the magnitude of the current is determined by the dynamics of the electrode reaction and the equation (8) i→i 1 =2FAKP n 0 is determined. If n~0 (zero order with respect to the dissolved substance), the current is not a measure of the hydrogen concentration in this extreme case. The full formula applies to the full range of relative magnitudes of i 1 and i d . As a result, the kinetic current limit i 1 becomes the membrane diffusion limit i d
Only when the hydrogen partial pressure is sufficiently exceeded will the sensor generate an output proportional to the hydrogen partial pressure. In the art, this result is achieved by increasing the reaction rate to such an extent that the reaction impedance is sufficiently reduced. According to the invention, the membrane material and/or membrane thickness are selected such that the inequality S n D n /X n <<K is satisfied even when, for example, polished platinum is used for the hydrogen sensing electrode surface.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明は具体化する水素センサの断面
図であり、第2図は電流の水素分圧による依存性
に関する種々の型を示す多数の曲線のグラフであ
る。 10……センサ、11……外側ケース、12…
…膜、13……保持リング、14……対向電極、
15……電気絶縁層、16……保護電極、17…
…絶縁層、18……検知電極、19……電解液貯
槽、180……検知表面。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a hydrogen sensor embodying the invention, and FIG. 2 is a graph of a number of curves showing different types of dependence of current on hydrogen partial pressure. 10...sensor, 11...outer case, 12...
...Membrane, 13...Retaining ring, 14...Counter electrode,
15... Electrical insulating layer, 16... Protective electrode, 17...
...Insulating layer, 18... Sensing electrode, 19... Electrolyte storage tank, 180... Sensing surface.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 水性電解液と接触して電流測定セルの反応イ
ンピーダンスを与える少なくとも2本の電極を備
え、元素状水素に対し透過性であるが電解液に対
し実質的に不透過性である膜により前記電解液を
前記流体媒体から分離して、前記セルの膜インピ
ーダンスが与えられている前記電流測定セルによ
り流体媒体中の元素状水素を定量・電気分析的に
測定する方法であつて、前記少なくとも2本の電
極が陽極水素検知電極と陰極対向電極とからな
り、前記水素検知電極が白金族の金属よりなるほ
ぼ平滑な検知表面を有し、前記平滑な検知表面が
1:1〜1:3の範囲の見掛表面積:実表面積の
比を有しており、前記膜インピーダンスが、前記
電流測定セルの膜制御操作を行うため十分に反応
インピーダンスを越えるように選択される、元素
状水素の定量的電気分析測定方法。 2 前記セルの膜制御操作が、ほぼ直線的な電
流/圧力依存性により証明される特許請求の範囲
第1項に記載の方法。 3 前記セルの膜制御操作が、1日当り1%未満
の下方ドリフトにより証明される特許請求の範囲
第1項に記載の方法。 4 前記膜が9.8×102(μmol・μm・m-2(Kg/
m2-1・s-1)未満、好ましくは9.8×10(μmol・μ
m・m-2(Kg/m2-1・s-1)未満の水素透過係数
に相当する膜インピーダンスを有する特許請求の
範囲第1項に記載の方法。 5 前記膜が、300μm未満、好ましくは10〜
125μmの範囲の厚みを有するハロゲン含有のポ
リエンフイルムより実質的になる特許請求の範囲
第1項から第4項のいずれか一項に記載の方法。 6 前記膜が、ポリ弗化ビニル、エチレンとテト
ラフルオロエチレンとの共重合体、ポリ塩化ビニ
リデン、弗素化エチレン/プロピレン共重合体、
ポリフルオロアルコキシ重合体、エチレンとモノ
クロルトリフルオロエチレンとの共重合体、ポリ
弗化ビニリデン、ポリ(モノクロルトリフルオロ
エチレン)及びポリ(テトラフルオロエチレン)
からなる群から選択された一つの重合体のフイル
ムである特許請求の範囲第1項から第5項のいず
れか一項に記載の方法。 7 前記膜が、10〜50μmの厚みを有する特許請
求の範囲第1項から第6項のいずれか一項に記載
の方法。 8 水性電解液と接触する陽極水素検知電極及び
陰極対向電極を備えると共に反応インピーダンス
を有する電流測定セルと、元素状水素に対し透過
性であるが電解液に対し実質的に不透過性であ
り、且つ、膜インピーダンスを与える膜とを備え
る、流体媒体中における元素状水素の定量的電気
分析測定用のセンサであつて、前記陽極水素検知
電極が白金族の金属よりなるほぼ平滑な検知表面
を有し、前記平滑な検知表面が1:1〜1:3の
範囲の見掛表面積:実表面積の比を有しており、
前記膜が、10〜300μmの範囲の厚みと、9.8×102
(μmol・μm・m-2(Kg′/m2-1・s-1)未満の水
素透過係数とを有する、元素状水素の定量的電気
分析測定用のセンサ。 9 前記膜が、10〜125μmの範囲、好ましくは
10〜50μmの範囲の厚みを有する特許請求の範囲
第8項に記載のセンサ。 10 前記膜が、ポリ弗化ビニル、エチレンとテ
トラフルオロエチレンとの共重合体、ポリ塩化ビ
ニリデン、弗素化エチレン/プロピレン共重合
体、ポリフルオロアルコキシ重合体、エチレンと
モノクロルトリフルオロエチレンとの共重合体、
ポリ弗化ビニリデン、ポリ(モノクロルトリフル
オロエチレン)及びポリ(テトラフルオロエチレ
ン)からなる群から選択された一つの重合体のフ
イルムである特許請求の範囲第8項又は第9項に
記載のセンサ。
Claims: 1. At least two electrodes in contact with an aqueous electrolyte to provide the reactive impedance of the amperometric cell, permeable to elemental hydrogen but substantially impermeable to the electrolyte. A method for quantitatively and electroanalytically measuring elemental hydrogen in a fluid medium by separating said electrolyte from said fluid medium by a membrane, and using said amperometric cell having a membrane impedance of said cell. wherein the at least two electrodes include an anode hydrogen sensing electrode and a cathode counter electrode, the hydrogen sensing electrode has a substantially smooth sensing surface made of a platinum group metal, and the smooth sensing surface has a 1:1 ratio. an element having an apparent surface area:real surface area ratio in the range of ~1:3 and selected such that the membrane impedance sufficiently exceeds the reaction impedance to effect membrane control operation of the amperometric cell. Quantitative electroanalytical measurement method for hydrogen in the form of hydrogen. 2. The method of claim 1, wherein the membrane-controlled operation of the cell is evidenced by an approximately linear current/pressure dependence. 3. The method of claim 1, wherein membrane controlled operation of the cell is evidenced by a downward drift of less than 1% per day. 4 The membrane has a density of 9.8×10 2 (μmol・μm・m −2 (Kg/
m 2 ) -1・s −1 ), preferably less than 9.8×10 (μmol・μ
2. A method according to claim 1, having a membrane impedance corresponding to a hydrogen permeability coefficient of less than m·m −2 (Kg/m 2 ) −1 ·s −1 ). 5 The membrane has a thickness of less than 300 μm, preferably 10 to
5. A method according to any one of claims 1 to 4, consisting essentially of a halogen-containing polyene film having a thickness in the range of 125 μm. 6 The membrane is made of polyvinyl fluoride, a copolymer of ethylene and tetrafluoroethylene, polyvinylidene chloride, a fluorinated ethylene/propylene copolymer,
Polyfluoroalkoxy polymers, copolymers of ethylene and monochlorotrifluoroethylene, polyvinylidene fluoride, poly(monochlorotrifluoroethylene) and poly(tetrafluoroethylene)
6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the film is a polymer selected from the group consisting of: 7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the film has a thickness of 10 to 50 μm. 8 an amperometric cell comprising an anodic hydrogen sensing electrode and a cathodic counterelectrode in contact with an aqueous electrolyte and having a reactive impedance and permeable to elemental hydrogen but substantially impermeable to the electrolyte; and a membrane providing a membrane impedance, the sensor for quantitative electroanalytical measurement of elemental hydrogen in a fluid medium, wherein the anodic hydrogen sensing electrode has a substantially smooth sensing surface made of a platinum group metal. and the smooth sensing surface has an apparent surface area:actual surface area ratio in the range of 1:1 to 1:3;
The membrane has a thickness in the range of 10 to 300 μm and a thickness of 9.8×10 2
A sensor for quantitative electroanalytical measurement of elemental hydrogen having a hydrogen permeability coefficient of less than (μmol·μm·m −2 (Kg′/m 2 ) −1 ·s −1 ). 9 The membrane has a thickness in the range of 10 to 125 μm, preferably
A sensor according to claim 8 having a thickness in the range 10-50 μm. 10 The membrane is made of polyvinyl fluoride, a copolymer of ethylene and tetrafluoroethylene, polyvinylidene chloride, a fluorinated ethylene/propylene copolymer, a polyfluoroalkoxy polymer, a copolymer of ethylene and monochlorotrifluoroethylene. Union,
10. The sensor according to claim 8 or 9, which is a film of one polymer selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, poly(monochlorotrifluoroethylene), and poly(tetrafluoroethylene).
JP59093841A 1983-05-10 1984-05-10 Electroanalytic method for measuring hydrogen and sensor Granted JPS59211853A (en)

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